原创 羽华 世界顶尖科学家论坛
世界顶尖科学家协会（WLA）首次面向全球发布年度报告。这份主题为《希望之光，疫情下的科学突破》的报告，汇集15位诺贝尔奖得主在内的30位世界顶尖科学家，以引领学科发展的前瞻性视野，深度点评过去一年的科学突破，打造科学界风向标。
WLA年度发布 图 | WLA上海中心
使离子相结合或原子相结合的作用力通称为化学键，分为离子键、共价键、金属键三种。自从提出原子是世界的基本组成部分以来，科学家就一直试图了解它们如何以及为什么彼此结合。先进的显微镜（例如原子力显微镜AFM或扫描隧道显微镜STM）可以解析原子位置并直接测量键长，但是实时连续拍摄化学键断裂和形成，是科学界的最大挑战之一。
2020年1月，科学家利用碳纳米管作为纳米催化剂，第一次在原子尺度上拍摄下化学键形成与断裂的实时动态过程，为人类全面理解化学键提供了全新视角。这一成果入选WLA年度报告，打开了化学新世界的大门。
在碳纳米管中拍摄金属键
拍摄化学键的难点在于化学键的长度仅为0.1-0.3纳米，仅为人类头发宽度的50万分之一，这使得捕捉两个原子之间发生键合的瞬间非常困难。
来自乌尔姆大学材料科学电子显微镜和诺丁汉大学化学学院的联合研究团队，利用透射电子显微镜（TEM），以直径为1-2纳米的碳纳米管作为原子的微型试管，成功拍摄下两个铼（Re）原子组成的铼分子（Re₂）中化学键的变化。
碳纳米管中的Re2分子 图 | 诺丁汉大学
诺丁汉大学化学学院教授安德烈·赫洛比斯托夫介绍说，纳米管可以捕获原子或分子，并将它们精确定位。“在这种情况下，我们捕获了结合在一起形成Re₂的一对Re原子。由于Re的原子量较高，因此在TEM中比轻元素更容易看到，这使我们能够将每个金属原子识别为一个黑点。”
研究团队利用先进的彩色和球差校正亚埃低压电子显微镜（Sub Angstrom Low VoltageElectron Microscopy，SALVE TEM）对这些双原子分子进行成像时，观察到吸附在纳米管石墨晶格上的Re₂在原子尺度的运动，发现Re₂的键长发生了一系列不规则变化。
纳米试管中的原子动图 图 | 诺丁汉大学
这一过程被完整地拍摄下来。视频中可以看到，两个Re原子沿着纳米管“行走”，并不断合体、分开。
“化学键的作用是无限的”
2014年诺贝尔化学奖得主威廉·莫纳（W. E. Moerner）表示，在单分子水平上让人类首次观察到了化学键形成与断裂的实时动态过程，为人类全面理解化学键提供了全新视角。
2014年诺贝尔化学奖得主威廉·莫纳 图 | WLF
莫纳说：“分子振动对于化学键的形成至关重要。这些振动在势能表面上成键的机制原来仅限于理论性的描述，但现在已经可以直接看到它们。这将帮助我们跟踪在激发态和基态波包上发生的振动轨迹，为分子键形成期间发生的分子现象提供了前所未有的视角。”
为何理解化学键如此重要？2001年诺贝尔化学奖得主巴里·夏普莱斯（K. Barry Sharpless）认为：“化学键的作用是无限的，它将物质联系在一起，使物质具备了新属性。我并不在意化学结构，我在意的是化学联系。”化学家的工作，就是要研究、破解和建立这样的联系，因此拍摄到化学键的形成与断裂才具有如此重要的意义。